DE102006027357A1 - Method for operating an SCR catalytic converter and exhaust system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Programmalgorithmus zum Betreiben einer in einer Abgasanlage (12) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten SCR-Katalysatoreinrichtung (16), welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinander geschaltete SCR-Katalysatorstufen (16a, 16b) umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NO<SUB>x</SUB> des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung (16) zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass als Bemessungsgröße für eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels oder seiner Vorstufe eine Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe (16a) herangezogen wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein Schlupf an Reduktionsmittel, insbesondere NH<SUB>3</SUB>, durch die SCR-Katalysatoreinrichtung (16) vermieden wird.The invention relates to a method and a program algorithm for operating an SCR catalytic converter device (16) arranged in an exhaust system (12) of an internal combustion engine (10), which comprises at least two SCR catalytic converter stages (16a, 16b) spaced apart or adjacently connected in series are suitable for at least partially storing a chemical reducing agent and reducing, with its participation, nitrogen oxides NO <SUB> x </ SUB> of the exhaust gas, the chemical reducing agent or a precursor thereof into an exhaust gas of the internal combustion engine (10) upstream of the SCR Catalyst device (16) is supplied. It is provided that a storage capacity of the first SCR catalytic converter stage (16a) in the flow direction is used as a design variable for an amount of the supplied reducing agent or its precursor. In this way it is achieved that a slip of reducing agent, in particular NH <SUB> 3 </ SUB>, by the SCR catalyst device (16) is avoided.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, angeordneten Katalysators, der nach dem SCR-Verfahren (SCR = Selectiv Catalytic Reduction) arbeitet. Bei diesem Verfahren werden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide (NOx) unter Beteiligung eines chemischen Reduktionsmittels, das von dem Reduktionskatalysator gespeichert wird, reduziert. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage.The invention relates to a method for operating a catalyst arranged in an exhaust system of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, which operates according to the SCR method (SCR = selective catalytic reduction). In this method, nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas of the internal combustion engine are reduced by involving a chemical reducing agent stored by the reduction catalyst. The invention further relates to an exhaust system suitable for carrying out the method.
Neben Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gehören insbesondere Stickoxide (NOx) zu den umweltgefährdenden, direkt emittierten Primärschadstoffen, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, entstehen. Ein Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren, wie sie bei λ=1-geregelten Ottomotoren verwendet werden, ist auf Grund des Sauerstoffüberschusses im sehr magren dieselmotorischen Abgas nicht möglich. Aus diesem Grund wurde zur Reduktion der Stickoxidemission bei Dieselmotoren ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator entwickelt, der mit einem zugeführten Reduktionsmittel Stickoxide (NOx) zu N2 und H2O reduziert. Das Reduktionsmittel wird dabei direkt dem Abgas zugegeben oder es wird eine chemische Vorstufe des Reduktionsmittels zugegeben, die erst in der Abgasanlage das Reduktionsmittel freisetzt. Als Reduktionsmittel dient insbesondere Ammoniak (NH3), das dem Abgas als Gas oder als wässrige Lösung zugeführt wird. Auf Grund des nicht ungefährlichen Umgangs mit NH3 wird heute üblicherweise Harnstoff als chemische Vorstufe eingesetzt, der entweder in Form einer wässrigen Lösung oder als Feststoff vorliegt. Die thermohydrolytische Aufspaltung von Harnstoff unter Freisetzung von NH3 erfolgt durch die Wärme des Abgasstroms bzw. des Katalysators oder in einem Verdampfer beziehungsweise einem Reaktor.In addition to carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) in particular nitrogen oxides (NO x ) are among the environmentally hazardous, directly emitted primary pollutants, which arise during operation of internal combustion engines, especially diesel engines. A use of three-way catalysts, as used in λ = 1-controlled gasoline engines, is not possible due to the excess of oxygen in the very lean diesel engine exhaust. For this reason, a selective SCR catalyst was developed to reduce nitrogen oxide emissions in diesel engines, which reduces nitrogen oxides (NO x ) to N 2 and H 2 O with an added reducing agent. The reducing agent is added directly to the exhaust gas or it is added a chemical precursor of the reducing agent, which releases the reducing agent only in the exhaust system. Ammonia (NH 3 ), which is supplied to the exhaust gas as a gas or as an aqueous solution, serves in particular as a reducing agent. Due to the non-hazardous handling of NH 3 , urea is usually used today as a chemical precursor, which is present either in the form of an aqueous solution or as a solid. The thermohydrolytic decomposition of urea with liberation of NH 3 is effected by the heat of the exhaust gas stream or of the catalyst or in an evaporator or a reactor.
SCR-Katalysatoren verfügen über eine temperaturabhängige Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (NH3), wobei die Temperaturabhängigkeit bei niedrigen Katalysatortemperaturen besonders ausgeprägt ist. Auf der anderen Seite steigt die NOx-Konvertierungsrate von SCR-Katalysatoren mit dem NH3-Beladungsniveau. Deswegen wird insbesondere bei niedrigen Temperaturen angestrebt, das NH3-Beladungsniveau möglichst nahe dem (temperaturabhängigen) maximal möglichen Beladungsniveau zu halten. Dabei ist die Einhaltung eines Sicherheitsabstandes zum maximalen Beladungsniveau üblich, um die Gefahr eines Reduktionsmittelschlupfes gering zu halten.SCR catalysts have a temperature-dependent storage capacity for the reducing agent (NH 3 ), whereby the temperature dependence at low catalyst temperatures is particularly pronounced. On the other hand, the NO x conversion rate of SCR catalysts increases with the NH 3 loading level. Therefore, it is desirable, especially at low temperatures, to keep the NH 3 loading level as close as possible to the (temperature-dependent) maximum possible loading level. In this case, the maintenance of a safety distance to the maximum load level is common to keep the risk of reducing agent slip low.
Entsprechende
SCR-Verfahren und -Anlagen sind aus den Druckschriften
Problematisch bei der Verwendung von SCR-Katalysatoren sind Betriebssituationen, die – insbesondere von einer niedrigen Abgastemperatur ausgehend – mit starken Temperaturanstiegen einhergehen, wie es insbesondere bei starken Lastsprüngen der Fall ist. Diese können zu einer unkontrollierten Freisetzung von im SCR-Katalysator gespeicherten NH3 führen, welches unkonvertiert den Abgasstrang verlässt. Ebenfalls können derartige Betriebssituationen auftreten, wenn eine Regenerationsanforderung eines den SCR-Katalysator vor- oder nachgeschalteten Partikelfilters vorliegt oder wenn eine Heizmaßnahme zur Aufheizung eines noch nicht betriebsbereiten Katalysators bei einem Motorkaltstart erfolgt. In beiden Fällen werden motorische Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur eingeleitet, die zu dem beschriebenen NH3-Schlupf führen können. Ebenfalls können stark exotherme Prozesse bei der Partikelfilterregeneration oder bei katalytischen Konvertierungsvorgängen zur unerwünschten NH3-Desorption führen. Diese Betriebssituationen sind umso kritischer, als für die Gewährleistung einer guten NOx-Konvertierungsrate das Beladungsniveau SCR-Katalysators mit dem Reduktionsmittel möglichst auf dem maximalen (temperaturabhängigen) Niveau eingestellt wird (s. o.).The problem with the use of SCR catalysts are operating situations, which - in particular starting from a low exhaust gas temperature - associated with strong temperature increases, as is the case in particular with strong load jumps. These can lead to an uncontrolled release of NH 3 stored in the SCR catalytic converter, which leaves the exhaust line unconverted. Also, such operating situations may occur when a regeneration request of the SCR catalyst upstream or downstream particulate filter is present or if a heating measure for heating a not yet operational catalyst at a cold engine start. In both cases, engine measures are initiated to increase the exhaust gas temperature, which can lead to the NH 3 slip described. Likewise, highly exothermic processes in particulate filter regeneration or in catalytic conversion processes can lead to unwanted NH 3 desorption. These operating conditions are more critical than for ensuring good NO x -Konvertierungsrate loading level SCR catalyst is set with the reducing agent as possible at the maximum (temperature-dependent) level (see above).
Zur Vermeidung von unerwünschten NH3-Durchbrüchen ist bekannt, die benötigte Reduktionsmittelmenge über Dosiermodelle möglichst genau entsprechend der umzusetzenden NOx-Menge zu berechnen und passend zuzuführen. Dabei wird als Sicherheit häufig eine leicht unterstöchiometrische Zudosierung vorgenommen, wodurch jedoch eine vollständige NOx-Umsetzung nicht mehr gewährleistet ist. Eine andere Lösung sieht den Einsatz von edelmetallhaltigen Oxidationskatalysatoren als Sperrkatalysator vor, welche dem SCR-Katalysator nachgeschaltet werden und auftretende NH3-Durchbrüche konvertieren. Dies ist jedoch mit einem erhöhten Kosten- und Bauraumbedarf verbunden. Darüber hinaus entsteht in kontraproduktiver Weise bei der NH3-Konvertierung am nachgeschalteten Oxidationskatalysator wiederum NOx, was einerseits unerwünscht ist und andererseits die Bilanzierung des NOx-Umsatzes am SCR-Katalysator verfälscht, wenn diese mit einem nachgeschalteten NOx-Sensor ermittelt wird.To avoid unwanted NH 3 breakthroughs is known to calculate the required amount of reducing agent via dosing models as closely as possible according to the amount of NO x to be converted and fed appropriately. This is often done as a security slightly substoichiometric metering, which, however, a complete NO x implementation is no longer guaranteed. Another solution provides for the use of noble metal-containing oxidation catalysts as a barrier catalyst, which are downstream of the SCR catalyst and convert occurring NH 3 breakthroughs. However, this is associated with increased cost and space requirements. In addition, arises in a counterproductive manner in the NH 3 conversion at the downstream oxidation catalyst again NO x , which is undesirable on the one hand and on the other hand falsified the accounting of NO x conversion at the SCR catalyst, if this is determined with a downstream NO x sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysators zur Verfügung zu stellen, bei dem ein unerwünschter Schlupf des gespeicherten Reduktionsmittels vermieden wird und das nicht mit den Nachteilen der bekannten Lösungen behaftet ist. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Abgasanlage bereitgestellt werden.The invention is based on the object to provide an alternative method for operating an SCR catalyst, in which an unwanted slippage of the stored reducing agent is avoided and which is not associated with the disadvantages of the known solutions. It is also intended to provide an exhaust system suitable for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren sowie eine Abgasanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß wird eine SCR-Katalysatoreinrichtung eingesetzt, welche zumindest zwei (beabstandet oder aneinandergrenzend) hintereinandergeschaltete SCR-Katalysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH3, zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren. Die Erfindung sieht dabei vor, als Bemessungsgröße für eine Menge des stromauf der ersten SCR-Katalysatorstufe zugeführten Reduktionsmittels beziehungsweise seiner Vorstufe allein eine absolute Speicherkapazität der in Strömungsrichtung ersten SCR-Katalysatorstufe heranzuziehen. Steuerungstechnisch dient somit die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe als Führungsgröße für die Reduktionsmitteldosierung in die Abgasanlage. Durch die Vernachlässigung der Speicherkapazität der zweiten (stromabwärtigen) SCR-Katalysatorstufe wird erreicht, dass die zweite SCR-Katalysatorstufe in vollem Umfang zur Verfügung steht, eventuell auftretende NH3-Durchbrüche der ersten (stromaufwärtigen) SCR-Katalysatorstufe abzufangen. Dabei ist die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise so bemessen, dass sie den austretenden NH3-Schlupf der ersten Stufe idealerweise vollständig zu speichern vermag und im Wege der katalytischen NOx-Reduktion verbraucht. Auf diese Weise können unerwünschte Emissionen des Reduktionsmittels praktisch vollständig unterdrückt werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung der im Stand der Technik bekannte, dem SCR-Katalysator nachgeschaltete Oxidationskatalysator als Sperrkatalysator durch die zweite SCR-Stufe ersetzt, was einerseits einen Kostenvorteil hat und andererseits die am Oxidationskatalysator stattfindende unerwünschte Konvertierung von NH3 zu NOx vermeidet.This object is achieved by a method and an exhaust system with the features of the independent claims. According to the invention, an SCR catalytic converter device is used, which comprises at least two SCR catalytic converter stages (spaced apart or adjoining one another), which are each suitable for at least partially storing a chemical reducing agent, in particular ammonia NH 3 , and, with its participation, nitrogen oxides NO x of the exhaust gas to reduce. In this case, the invention provides for an absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage in the flow direction to be used as a design variable for an amount of the reducing agent or its precursor supplied upstream of the first SCR catalyst stage alone. Control technology thus serves the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage as a reference variable for the reducing agent metering in the exhaust system. By neglecting the storage capacity of the second (downstream) SCR catalyst stage it is achieved that the second SCR catalyst stage is fully available to intercept any NH 3 breakthroughs occurring in the first (upstream) SCR catalyst stage. In this case, the absolute storage capacity of the second SCR catalyst stage is preferably dimensioned such that it is ideally able to completely store the exiting NH 3 slip of the first stage and to use it by way of the catalytic NO x reduction. In this way, unwanted emissions of the reducing agent can be almost completely suppressed. Thus, according to the present invention, the known in the art, the SCR catalyst downstream oxidation catalyst is replaced as a barrier catalyst by the second SCR stage, which on the one hand has a cost advantage and on the other hand, takes place on the oxidation catalyst unwanted conversion of NH 3 to NO x .
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter "absoluter Speicherkapazität" eine maximal in dem SCR-Katalysator bzw. der SCR-Katalysatorstufe speicherbare Reduktionsmittelmenge (z.B. in g oder mol) verstanden, wohingegen "relative Speicherkapazität" eine auf das Katalysatorvolumen bezogene speicherbare Reduktionsmittelmenge (z.B. in g/ml oder mol/ml) bedeutet.there is in the context of the present invention under "absolute storage capacity" a maximum in the amount of reductant that can be stored in the SCR catalyst or SCR catalyst stage (e.g. in g or mol), whereas "relative storage capacity" refers to the catalyst volume a storable reducing agent level (e.g., in g / ml or mol / ml).
Grundsätzlich kann die Zuführung des Reduktionsmittels in Intervallen oder kontinuierlich erfolgen.Basically the feeder of the reducing agent at intervals or continuously.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Menge des zugeführten Reduktionsmittels so bemessen und zugeführt, dass ein Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe zwischen einer vorbestimmten unteren und einer vorbestimmten oberen Beladungsgrenze liegt. Dabei entspricht die vorbestimmte obere Beladungsgrenze vorzugsweise der absoluten Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe abzüglich eines Sicherheitsabstandes. Beispielsweise kann der Sicherheitsabstand so gewählt werden, dass er 20 % bezogen auf die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe beträgt, insbesondere 10 % oder sogar 5 %. Eine allgemeingültige Angabe der oberen Beladungsgrenze bzw. des Sicherheitsabstandes ist jedoch nicht möglich, da diese sehr von der Auslegung des Gesamtsystems und insbesondere von tolerierbaren Emissionswerten abhängt. Grundsätzlich ist jedoch dank der nachgeschalteten zweiten Stufe möglich, den Sicherheitsabstand geringer als im Stand der Technik üblich zu wählen. Ist zwischen den beiden SCR-Katalysatorstufen ein NH3-empfindlicher Gassensor angeordnet (s. u.), so kann der Sicherheitsabstand besonders klein gewählt werden, ohne unerwünschte Reduktionsmittelemissionen zu riskieren. Die möglichst hohe Beladung der ersten Stufe hat den Vorteil, einerseits die volle Kapazität der ersten Stufe nutzen zu können und andererseits die vollständige Pufferkapazität der zweiten Stufe aufrechtzuerhalten. Dabei kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung angestrebt werden, dass die erste SCR-Katalysatorstufe stets bis zu der angegebenen oberen Beladungsgrenze mit Reduktionsmittel beladen ist. Da die Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe unter anderem von der Katalysatortemperaturabhängt, werden vorzugsweise das angestrebte Beladungsniveau der ersten SCR-Katalysatorstufe und/oder die obere und/oder die untere Beladungsgrenze der ersten SCR-Katalysatorstufe mit dem Reduktionsmittel in Abhängigkeit von einer Katalysator- oder Abgastemperatur vorbestimmt. Dabei kann die absolute Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe vorzugsweise aus temperaturabhängigen Kennfeldern entnommen werden, wobei auch alterungsbedingte Minderungen der Speicherkapazität berücksichtigt werden können.In a preferred embodiment of the invention, an amount of the supplied reducing agent is so dimensioned and supplied that a loading level of the first SCR catalyst stage is between a predetermined lower and a predetermined upper loading limit. In this case, the predetermined upper loading limit preferably corresponds to the absolute storage capacity of the first SCR catalytic converter stage minus a safety margin. For example, the safety margin may be chosen to be 20% of the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage, in particular 10% or even 5%. However, a general indication of the upper loading limit or the safety distance is not possible, since this depends very much on the design of the entire system and in particular on tolerable emission values. In principle, however, thanks to the downstream second stage, it is possible to choose the safety distance less common than in the prior art. If an NH 3 -sensitive gas sensor is arranged between the two SCR catalyst stages (see below), the safety margin can be selected to be particularly small without risking undesirable reductant emissions. The highest possible loading of the first stage has the advantage, on the one hand to be able to use the full capacity of the first stage and on the other hand to maintain the full buffer capacity of the second stage. In this case, according to an advantageous embodiment of the invention, the aim is that the first SCR catalyst stage is always loaded with reducing agent up to the specified upper loading limit. Since the storage capacity of the first SCR catalyst stage depends inter alia on the catalyst temperature, preferably the desired loading level of the first SCR catalyst stage and / or the upper and / or lower loading limit of the first SCR catalyst stage with the reducing agent depending on a catalyst or Exhaust gas temperature predetermined. In this case, the absolute storage capacity of the first SCR catalyst stage can preferably be taken from temperature-dependent maps, whereby aging-related reductions in the storage capacity can be taken into account.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von einer angesaugten Luftmasse, einer durch die Motorsteuerung vorgegebenen Kraftstoffmasse und/oder einer modellierten oder (mit einem NOx-Sensor) gemessenen NOx-Konzentration im Abgas zu dosieren und in diesem Sinne mehr oder weniger kontinuierlich zuzuführen. Jede dieser Größen ist mit einem gewissen Mess- oder Bestimmungsfehler verbunden. Dies gilt ebenso für die Zudosierung selbst und den Wirkungsgrad für die Reduktionsmittelaufbereitung (Thermohydrolyse). Neben diesen Fehlern bzw. Unsicherheiten sollten vorzugsweise auch noch Alterungseffekte der SCR-Katalysatorstufe bei der Reduktionsmitteldosierung berücksichtigt werden.A further advantageous embodiment provides to meter the amount of reducing agent depending on an intake air mass, a predetermined by the engine control fuel mass and / or a modeled or measured (with a NO x sensor) NOx concentration in exhaust gas and in this sense, more or less continuously. Each of these quantities is associated with a certain measurement or determination error. This also applies to the metering itself and the efficiency for reducing agent treatment (Thermohydrolysis). In addition to these errors or uncertainties, aging effects of the SCR catalyst stage should also preferably be taken into account in the reducing agent metering.
Die zweite (stromabwärtige) SCR-Katalysatorstufe hat insbesondere aus Bauraumgründen bevorzugt ein kleineres Volumen als die vorgeschaltete erste SCR-Katalysatorstufe. Dabei hat sie vorteilhaft eine relative (d.h. auf das Katalysatorvolumen bezogene) Speicherkapazität für das Reduktionsmittel (insbesondere NH3), die größer ist als die der ersten SCR-Katalysatorstufe. Dies kann etwa durch eine höhere Beladungsdichte des Katalysatorträgers mit Speicherplätzen erreicht werden, d.h. mit der für die Speicherung des Reduktionsmittels verantwortlichen Beschichtung (washcoat). In dieser Weise vermag die zweite Stufe trotz ihres geringeren Volumens eine relativ große Menge Reduktionsmittel (z.B. NH3) zu speichern und umzusetzen und zwar auch unter Bedingungen, unter denen an der ersten Stufe bereits eine Desorption von Reduktionsmitteln stattfindet. Die (absolute) Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe kann dabei aber geringer sein als die der vorgeschalteten ersten Stufe, da die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Reduktionsmitteldesorption der ersten Stufe gering ist. Beispielsweise kann die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Katalysatorstufe maximal 80 % der Speicherkapazität der ersten SCR-Katalysatorstufe betragen, insbesondere maximal 60 %, vorzugsweise maximal 50 %. Auch hier lässt sich die Größe oder die absolute Speicherkapazität der zweiten SCR-Stufe nicht allgemeingültig angeben, da auch diese Größe sehr von der Auslegung des Gesamtsystems, tolerierbarer Endemissionen, der angewendeten Dosierstrategie und anderen Faktoren abhängt.The second (downstream) SCR catalyst stage preferably has a smaller volume than the upstream first SCR catalyst stage, in particular for reasons of space. In this case, it advantageously has a relative (ie related to the catalyst volume) storage capacity for the reducing agent (in particular NH 3 ), which is greater than that of the first SCR catalyst stage. This can be achieved, for example, by a higher loading density of the catalyst support with storage locations, ie with the coating responsible for the storage of the reducing agent (washcoat). In this way, the second stage, despite its smaller volume, is capable of storing and reacting a relatively large amount of reducing agent (eg NH 3 ), even under conditions in which desorption of reducing agents already takes place at the first stage. However, the (absolute) storage capacity of the second SCR catalyst stage may be less than that of the upstream first stage, since the probability of a complete Reduktionsmitteldesorption the first stage is low. For example, the absolute storage capacity of the second SCR catalyst stage may amount to a maximum of 80% of the storage capacity of the first SCR catalyst stage, in particular a maximum of 60%, preferably a maximum of 50%. Again, the size or absolute storage capacity of the second SCR stage can not be universally indicated, since this size also depends very much on the overall system design, tolerable end-uses, the dosing strategy used, and other factors.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das aktuelle Beladungsniveau (RM_a) der SCR-Katalysatoreinrichtung, insbesondere der ersten SCR-Katalysatorstufe, mit dem Reduktionsmittel kontinuierlich ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt durch Bestimmung der kumulierten, in der SCR-Katalysatoreinrichtung gespeicherten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣS) und Subtraktion der kumulierten, durch den NOx-Umsatz der SCR-Katalysatoreinrichtung verbrauchten Reduktionsmittelmenge (RM_ΣNOx) von der gespeicherten Menge nach der Gleichung RM_a = RM_ΣS – RM_ΣNOx. Zur Bestimmung der kumulierten gespeicherten Reduktionsmittelmenge der SCR-Katalysatoreinrichtung RM_ΣS wird die zugeführte Reduktionsmittelmenge über die Zeit integriert (d.h. RM_ΣS = RM_ΣD, worin RM_ΣD die integrierte zudosierte Reduktionsmittel bedeutet), wobei eine temperaturabhängige Speicherkapazität der SCR-Katalysatoreinrichtung berücksichtigt werden kann. Im Fall eines NH3-Durchbruchs der ersten Stufe, beispielsweise infolge eines plötzlichen Temperatursprungs, wird vorzugsweise die kumulierte gespeicherte Reduktionsmittelmenge RM_ΣS der ersten Stufe über den NOx-Umsatz der zweiten Stufe korrigiert. Der NH3-Durchbruch kann mittels eines zwischen den beiden SCR-Stufen angeordneten NH3-empfindlicher Sensors gemessen werden, der entweder ein NH3-Sensor sein kann oder NOx-Sensor. NOx-Sensoren weisen nämlich eine NH3-Querempfindlichkeit auf, sodass über geeignete Plausibilitätsprüfungen, die eine Differenzierung zwischen NOx und NH3 erlauben, die NH3-Konzentration im Abgas ermittelt werden kann. Beispielsweise kann eine Reaktion des Sensors auf eine Veränderung der zudosierten Reduktionsmittelmenge eine solche Differenzierung ermöglichen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the current loading level (RM_a) of the SCR catalytic converter device, in particular the first SCR catalytic converter stage, is determined continuously with the reducing agent. This is preferably done by determining the cumulative stored in the SCR catalytic converter device reducing agent quantity (RM_ΣS) and subtracting the accumulated, consumed by the NOx conversion of the SCR catalytic converter device reducing agent quantity (RM_ΣNOx) from the stored set according to the equation RM_a = RM_ΣS - RM_ΣNOx , To determine the cumulative stored reducing agent quantity of the SCR catalytic converter RM_ΣS, the supplied reducing agent quantity is integrated over time (ie RM_ΣS = RM_ΣD, where RM_ΣD means the integrated metered reducing agent), wherein a temperature-dependent storage capacity of the SCR catalytic converter device can be taken into account. In the case of a first-stage NH 3 breakthrough due to, for example, a sudden temperature jump, it is preferable to correct the first stage cumulative stored reductant amount RM_ΣS via the second-stage NO x conversion. The NH 3 breakthrough can be measured by means of an NH 3 -sensitive sensor arranged between the two SCR stages, which can be either an NH 3 sensor or NO x sensor. Namely, NO x sensors have an NH 3 cross sensitivity, so that the NH 3 concentration in the exhaust gas can be determined by means of suitable plausibility checks which permit a differentiation between NO x and NH 3 . For example, a reaction of the sensor to a change in the metered amount of reducing agent allow such differentiation.
Die Bilanzierung des NOx-Umsatzes der SCR-Katalysatoreinrichtung zur Ermittlung der verbrauchten Reduktionsmittelmenge RM_ΣNOx, das heißt der Vergleich des stromauf und stromab der Einrichtung vorliegenden NOx-Gehaltes des Abgases, kann rechnerisch oder unter Anwendung insbesondere von temperaturabhängigen Kennfeldern modelliert werden oder mittels stromauf und/oder stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung oder zwischen den einzelnen Stufen angeordneten NOx-Sensoren gemessen werden. Möglich ist beispielsweise, die NOx-Rohemission stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zu modellieren und den NOx-Gehalt stromab der SCR-Katalysatoreinrichtung und/oder zwischen den beiden SCR-Stufen mittels eines NOx-Sensors zu messen oder umgekehrt. Vorzugsweise erfolgt die Bilanzierung des NOx-Umsatzes über die erste und die zweite SCR-Katalysatorstufe gemeinsam, das heißt beide Stufen werden als ein einziger SCR-Katalysator betrachtet.The balancing of the NO x conversion of the SCR catalytic converter device to determine the amount of reducing agent RM_ΣNOx consumed, that is, the comparison of the present upstream and downstream of the device NO x content of the exhaust gas can be modeled or by using particular temperature-dependent maps or by means of upstream and / or downstream of the SCR catalytic converter device, or between the individual stages arranged NO x sensors are measured. It is possible, for example, to model the NO x crude emission upstream of the SCR catalytic converter device and to measure the NO x content downstream of the SCR catalytic converter device and / or between the two SCR stages using an NO x sensor or vice versa. The balancing of the NO x conversion via the first and the second SCR catalyst stage is preferably carried out jointly, ie both stages are considered to be a single SCR catalytic converter.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinrichtung, welche zumindest zwei beabstandet oder aneinandergrenzend hintereinandergeschaltete SCR-Katafysatorstufen umfasst, die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide NOx des Abgases zu reduzieren, wobei das chemische Reduktionsmittel oder eine Vorstufe von diesem in ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine stromauf der SCR-Katalysatoreinrichtung zugeführt wird. Die Anlage verfügt über einen Programmalgorithmus, der insbesondere in einer Motorsteuerung gespeichert vorliegen kann, zum Betreiben der SCR-Katalysatoreinrichtung der Abgasanlage gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren.Another aspect of the present invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine with an SCR catalyst device comprising at least two spaced or adjacently connected SCR Katafysatorstufen each adapted to at least partially store a chemical reducing agent and its participation nitrogen oxides NO x of To reduce exhaust gas, wherein the chemical reducing agent or a precursor thereof is supplied into an exhaust gas of the internal combustion engine upstream of the SCR catalyst device. The system has a program algorithm, which may be stored in particular stored in an engine control, for operating the SCR catalyst device of the exhaust system according to the method described above.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be described below in embodiments with reference to the accompanying Zeichnun explained. Show it:
Das
Reduktionsmittel NH3 wird vorzugsweise in
Form einer wässrigen
Harnstofflösung
als chemische Vorstufe für
Ammoniak über
eine Zudosiereinheit
Statt
einer Harnstofflösung
kann auch Festharnstoff (beispielsweise in Form von Pellets oder Prills)
eingesetzt werden, der mechanisch oder thermisch aufbereitet wird.
Bei thermischer Aufbereitung ist ein Reaktor erforderlich, der außerhalb
oder innerhalb der Abgasanlage
Stromauf
der SCR-Katalysatoreinrichtung
Der
Abgaskanal
Die
Versorgung der Verbrennungskraftmaschine
Die
Signale der Gassensoren
Die
Motorsteuerung
Die
in
Der
in der Steuereinheit
Als
Führungsgröße für die in
die Abgasanlage einzuspeisende NH3-Menge
wird erfindungsgemäß allein
die absolute Speicherkapazität
der ersten SCR-Katalysatorstufe
Zur
Steuerung der Zudosierung von Harnstoff bzw. NH3 wird
die aktuell in die erste SCR-Katalysatorstufe
Zur
Bestimmung der kumulierten, eingespeicherten NH3-Menge
RM_ΣS wird
die durch die Zufuhreinheit
Ferner
wird der Verbrauch der gespeicherten NH3-Masse
RM_ΣNOx über den
NOx-Umsatz in der gesamten SCR-Katalysatoreinrichtung
Sofern
die NOx-Sensoren
Kommt
es zu einem NH3-Schlupf der ersten Stufe
Eine
Verbesserung des Verfahrens kann dadurch bewirkt werden, dass bei
Detektion eines Austritts von NH3 aus der
ersten SCR-Katalysatorstufe
- 1010
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 1212
- Abgasanlageexhaust system
- 1414
- Abgaskanalexhaust duct
- 1616
- SCR-KatalysatoreinrichtungSCR catalytic converter device
- 16a16a
- erste SCR-Katalysatorstufefirst SCR catalyst stage
- 16b16b
- zweite SCR-Katalysatorstufesecond SCR catalyst stage
- 1818
- Zufuhreinheitsupply unit
- 2020
- VerdampferEvaporator
- 2222
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 2424
- Partikelfilterparticulate Filter
- 2626
- Lambdasondelambda probe
- 2828
- NOx-SensorNO x sensor
- 28'28 '
- NOx-SensorNO x sensor
- 3030
- NOx-SensorNO x sensor
- 3232
- Ansaugkanalintake port
- 3434
- Drosselklappethrottle
- 3636
- Motorsteuerungmotor control
- 3838
- Steuereinheitcontrol unit
Claims (13)
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